Органическое вещество почв (лекция № 6)

1.

Тема: Органическое вещество почв

2. 1. Поступление органических остатков. Подстилкообразование.

Органическое вещество почв — это совокупность живой биомассы и
органических остатков растений, животных, микроорганизмов, продуктов
их метаболизма и специфических новообразованных органических
веществ почвы — гумуса (Ковда).
Гумусообразование включает в себе, противоположные друг другу
направления: процессы разложения и процессы новообразования в
результате которых возникают более устойчивые к разложению
высокомолекулярные
соединения,
имеющие
характер
гумусовых
веществ.
Гумусообразование
включает
все
характерные
формирования и эволюции органопрофиля почв:
процессы
поступление органических остатков, подстилкообразование;
трансформация (разложение, минерализация) поступающих в почву
свежих органических остатков;
гумификация,
взаимодействие органических веществ с минеральной частью почвы,
иммобилизация

3. 1. Поступление органических остатков. Подстилкообразование.

Поступление органических остатков – процесс привноса
органического вещества на поверхность почвы или в почву в
виде свежих отмерших растительных и животных остатков
(надземных и подземных), экскрементов животных, пойменных и
агроирригационных наилков, органических удобрений и др.
Поступление органического вещества протекает постоянно в
течение всего года. В отдельные сезоны, особенно в конце
вегетационного
периода,
происходит
резкое
увеличение
количества поступающего органического вещества.

4. 1. Поступление органических остатков. Подстилкообразование.

Интенсивность и характер поступления органических остатков
зависит от:
• Климата;
• Рельефа;
• Структуры биогеоценоза или агроценоза, продуцирующих различное
по устойчивости к трансформации и минерализации органическое
вещество.
Источники органического вещества:
• Остатки высших растений в виде наземного и корневого опада.
• Остатки
червей,
насекомых
и
позвоночных
животных,
микроорганизмы
На 99% органическое вещество Земли состоит из массы растительных
организмов, поэтому характер биологического круговорота в первую
очередь определяется жизнедеятельностью зеленых растений.

5. 1. Поступление органических остатков. Подстилкообразование.

Рис. 1. Площадь, фитомасса и продукция (сухая масса) суши Земли (по Н.И. Базилевич, Л.Е. Родину, Н.Н. Розову, 1970)

6. 1. Поступление органических остатков. Подстилкообразование.

Доля
фитомассы
(ото
общих
распределилась следующим образом:
запасов
Земли)
• на первом месте тропический пояс – более 56%.
• второе место принадлежит бореальному поясу около 18%
• третье место субтропический пояс – около 14;
• четвертое место суббореальный пояс – около 12%
• пятое место полярный пояс – около 1%.
В распределение биологической продуктивности выявляется не
только зональные, но и фациальные географические
закономерности.
Так,
запасы
фитомассы
и
годичная
продукция лесных экосистем уменьшаются в Западной Сибири,
Средней и особенно Восточной Сибири сравнительно с
экосистемами Русской Равнины. Это связано с увеличением
континентальности климата и наличием вечной мерзлоты. В
степях годичная продукция уменьшается с запада на восток.

7. 1. Поступление органических остатков. Подстилкообразование.

В результате процессов поступления и трансформации опада
могут формироваться следующие органогенные горизонты:
• в гидроморфных условиях – торфяные, торфянистые;
• в полугидроморфных – торфянистые и перегнойные;
• в автоморфных в бореальном поясе – лесные подстилки;
• в автоморфных степных травянистых сообществах – степной
войлок, ветошь, дернина.
Степной войлок (А0) — разновидность мертвого напочвенного покрова, почвенный
горизонт (слой) из отмерших, слежавшихся, но еще не полностью разложившихся остатков
травянистой растительности, который покрывает поверхность почвы в степях. По своему
происхождению и роли в экосистеме степной войлок в степях является аналогом лесной
подстилки в лесах. На болотах аналог степного войлока называется очёс.
Кроме степного войлока, отмершие органы растений в степях могут существовать в виде
ветоши. Ветошью называют засохшие, но не потерявшие связь с растением (стоящие на
корню) побеги. Образование ветоши предшествует образованию степного войлока.

8. 2. Трансформация органических остатков.

Трансформация
(разложение,
минерализация)
органических
остатков – это процесс частичного или полного превращения
неспецифических органических веществ в более простые, в том числе и в
продукты полной минерализации (СО2, NH3, Н2О и др.). Первичный распад
свежих органических остатков называется разложением. Процесс
частичного или полного превращения сложноорганизованных структур и
молекул органического вещества в более простые, в том числе и в
продукты полного распада называется минерализацией.
Отмирая, все растительные и животные организмы подвергаются
процессам разложения до более простых соединений, конечной
стадией которых является полная минерализация органического
вещества. Образовавшиеся неорганические вещества используются
растениями как элементы питания. Другая часть продуктов
разложения
потребляется
самими
микроорганизмами
(гетеротрофными) для синтеза вторичных белков, жиров, углеводов,
образующих плазму новых поколений микроорганизмов, а после
отмирания последних снова подвергается процессу разложения. Процесс
временного удержания органического вещества в микробной клетке
называется микробным синтезом. Часть продуктов разложения
превращается в специфические сложные высокомолекулярные вещества –
гумусовые вещества.

9. 2. Трансформация органических остатков.

Трансформация остатков происходит в аэробных или анаэробных
условиях в зависимости от водно-воздушного режима.
В аэробных условиях при достаточном количестве влаги в
почве, благоприятной температуре и свободном доступе О2
процесс
разложения
органических
остатков
развивается
интенсивно при участии аэробных микроорганизмов. Наиболее
оптимальными условиями являются температура 25 – 30 °С и
влажность – 60 % от полной влагоемкости почвы. Но в этих же
условиях быстро идет минерализация как промежуточных
продуктов разложения, так и гумусовых веществ, поэтому в
почве накапливается относительно мало гумуса, но много
элементов зольного и азотного питания растений (в сероземах и
других почвах субтропиков).

10. 2. Трансформация органических остатков.

В анаэробных условиях (при постоянном избытке влаги, а также
при
низких
температурах,
недостатке
О2 )
процессы
гумусообразования идут медленно при участии, главным образом,
анаэробных микроорганизмов. При этом образуются много
низкомолекулярных органических кислот и восстановленные
газообразные продукты (СН4, H2S), угнетающие жизнедеятельность
микроорганизмов. Процесс разложения постепенно затухает, и
органические
остатки
превращаются
в
торф
–
массу
слаборазложившихся и неразложившихся растительных остатков,
частично сохранивших анатомическую структуру.
Наиболее благоприятны для накопления гумуса сочетание в почве
аэробных и анаэробных условий с чередованием периодов
иссушение и увлажнения. Такой режим характерен для
черноземов.

11. 2. Трансформация органических остатков.

•Трансформация включает в себя:
физическое разрушение
химическое разрушение
биологические и биохимическое разрушение
Физическое разрушение. Под действием почвенной фауны растительные
остатки измельчаются, раздробляются. В сотни и тысячи раз увеличенная в
результате измельчения поверхность растительных остатков становится более
доступной для дальнейшего разрушения микроорганизмами.
Химическое разрушение. В присутствии кислорода, углекислоты, воды и
минеральных частиц почвы органические остатки разрушаются под действием
собственных ферментов окисления – оксидаз, находящихся в клетках отмерших
растений.
Процессы окисления приводят к побурению и почернению
растительных остатков.
Биологические и биохимическое разрушение.
их
ферментов
подвергаются
биохимической
органические соединения.
С помощью микроорганизмов,
трансформации
почти
все
Преобразование
опада
протекает
как
единый
почвенный
процесс,
подчиняющийся определенным географическим закономерностям и имеющий
в каждой природной зоне свою специфику.

12. 2. Трансформация органических остатков.

Состав органических остатков:
В элементарном составе органических остатков важнейшее место
принадлежит 4 элементам: С, О2, Н2, N2, из которых состоит множество
органических соединений.
Важнейшими органическими соединениями являются:
углеводы,
лигнин,
белки
жиры,
липиды
воск,
смолы,
дубильные вещества и др.
Эти вещества, которые присутствуют в почве в свободном виде или в
составе более сложных веществ растительного и животного
происхождения, но не входят в состав гумусовых кислот, называются
неспецифическими органическими веществами.

13. 2. Трансформация органических остатков.

Участие почвообитающих животных в разложении растительных
остатков сводится к следующему:
размельчение растительных тканей, которые благодаря
становятся более доступными для микроорганизмов;
этому
расщепление некоторых клеточных включений и
компонентов клеточных стенок с помощью ферментов;
соединение образующегося в кишечнике аммиака с лигнином, что
имеет большое значение для гумификации разлагающегося материала;
частичная минерализация и частичная гумификация растительного
материала;
перемещение растительных остатков в более глубокие горизонты и
перемешивание их с минеральными частицами;
стимуляция развития почвенной микрофлоры и распространение
микроорганизмов в подстилке и почвенном профиле.
целлюлозных

14. 3. Гумификация.

Гумификация — сложный биофизикохимический
процесс
трансформации
промежуточных
высокомолекулярных
продуктов
разложения
органических
остатков в особый класс органические
соединения — гумусовые кислоты (Л.Н.
Александрова).
Рис.5. Людмила Николаевна Александрова
18.08.1908–11.07.1983
крупнейший исследователь органического вещества почв, Почетный член Международного Общества
почвоведов, Почетный член Докучаевского Общества почвоведов, лауреат Государственной премии СССР,
доктор с.-х. наук, профессор, заведующая кафедрой почвоведения (1948-1978 гг.) Ленинградского
сельскохозяйственного института (ныне Санкт-Петербургского государственного аграрного университета), одна
из создателей Ленинградской научной школы по изучению гумуса почв

15. 3. Гумификация.

Гипотезы образования гумусовых веществ
Процесс образования специфических органических веществ гумусовых веществ в результате трансформации органических
остатков называют процессом гумификацией.
Гипотезы
образования
гумификации:
гумусовых
веществ
или
1. конденсационная (А.Г.Трусов, М.М.Кононова);
2. биохимического окисления (Л.Н. Александровой);
3. фрагментарного обновления (А.Д.Фокина);
4. кинетическая (Д.С. Орлов).
механизмов

16. 3. Гумификация.

Конденсационная
гипотеза,
которую
описала
М.М.
Кононова,
исходя
из
теоретических
построений
И.В.
Тюрина.
Процесс гумификации, согласно этой теории,
протекает в две стадии – разложение
органических
остатков
до
мономеров,
промежуточных продуктов разложения (таких
как аминокислот, фенолов, пептидов и др.), а
затем
происходит
их конденсация
и
полимеризация, ведущая к образованию
гумусовых
веществ.
Конденсация
–
биохимический процесс, который протекает с
участием
ферментов
микроорганизмов,
а
полимеризация
–
химический
процесс,
представляющий
собой
взаимодействие
гумусовых веществ с твёрдой фазой почвы.
Специфической
реакцией
гумификации
является конденсация фенольных соединений с
аминокислотами и пептидами.
Рис.6. Мария Михайловна Кононова
(1898 – 1979)
советский учёный, специалист в области изучения органического вещества почв. Доктор биологических наук,
лауреат Государственной премии СССР (1968).

17. 3. Гумификация.

Конденсация — реакция образования больших молекул из молекул с
меньшей молекулярной массой, протекающая с отщеплением (или
перемещением) атомов или атомных групп; например, продуктом
конденсации фенола с формальдегидом являются фенолформальдегидн
ые смолы.
Полимеризация
процесс
образования
высокомолекулярного
вещества (полимера) путём многократного присоединения молекул
низкомолекулярного вещества (мономера, олигомера) к активным
центрам в растущей молекуле полимера. Молекула мономера, входящая
в состав полимера, образует так называемое мономерное (структурное)
звено. Элементный состав (молекулярные формулы) мономера и
полимера приблизительно одинаков. Обычно мономерами являются
соединения,
содержащие
кратные
связи,
которые
способны,
раскрываясь, образовывать новые связи с другими молекулами,
обеспечивая рост цепей.

18. 3. Гумификация.

Гипотеза биохимического окисления (по Л.Н. Александровой).
Согласно этой теории, гумификация состоит из нескольких этапов.
Начальный
этап
процесса
гумификации
–
биохимическое
окислительное
новообразование
гумусовых
веществ
(кислотообразование), которые подвергаются в дальнейшем длительным
процессам
трансформации.
Эти
процессы,
по
мнению
автора,
осуществляются при непосредственном участии оксидаз микроорганизмов,
роль которых показана М.М. Кононовой. На других стадиях гумификации
происходит
формирование
азотистой
части
молекул,
фракционирование
и
дальнейшая
трансформация
новообразованных гумусовых кислот (их дальнейшая ароматизация и
гидролитическое расщепление, сорбция, конденсация), а также процессы
взаимодействия с минеральной частью почвы. Согласно, Л.Н.
Александровой,
процессу
окислительного
кислотообразования
подвергаются не мономеры, а высокомолекулярные продукты разложения
растительных остатков, и поэтому гуминовые кислоты с первых этапов
своего
существования
представляют
собой
высокомолекулярные
соединения. Азотистая часть молекул формируется не в результате
конденсации
фенолов
с
аминокислотами,
а
при
гумификации
растительных остатков, содержащих белки.

19. 3. Гумификация.

20. 3. Гумификация.

Гипотеза фрагментарного обновления гумуса принадлежит А.Д.
Фокину. Суть состоит в том, что продукты разложения не формируют
целиком гумусовую молекулу, а в результате конденсации сначала
включаются в периферические фрагменты уже сформированных молекул,
затем образуют более устойчивые циклические структуры. Поэтому
атомный и фрагментарный состав почвенного гумуса постоянно
обновляется за счет новых поступлений органического материала. При
этом, периферические фрагменты гуминовых кислот обновляются в
несколько раз быстрее, чем ядерные. Гипотеза фрагментарного
обновления гумуса хорошо объясняет роль свежего растительного
вещества (зеленые удобрения) и органических удобрений (навоз,
компосты) в повышении запасов гумуса в почве.

21. 3. Гумификация.

Кинетическая гипотеза (Орлов Д.С.). предположил, что существует
единый механизм формирования гуминовых кислот и фульвокислот.
Возможно два пути преобразования органических остатков. В основе
этой теории лежит принцип «отбора»
наиболее устойчивых
органических
соединений
в
процессе
гумификации.
Глубина
гумификации – это степень преобразования органических остатков в
гумусовые вещества и характеризуется соотношением СГК:СФК. Глубина
гумификации определяется биологической активностью почвы, т.е.
скоростью переработки органического материала. В почвах с
повышенной биологической активностью (черноземы) следует ожидать
преобладания первого пути: распад органических остатков до
мономеров и их последующая полимеризация. В почвах с пониженной
биологический
активностью
(подзолистые,
дерново-подзолистые)
глубокого распада органических остатков не происходит.

22. 3. Гумификация.

Гумусовые вещества – это сложные смеси устойчивых к
биодеструкции
высокомолекулярных
темноокрашенных
органических
соединений
природного
происхождения,
образующихся при разложении растительных и животных
остатков под действием микроорганизмов и абиотических
факторов среды.
Рис.8. Гуминовая кислота
Источник: in.all.biz

23. 3. Гумификация.

Общепринятая классификация гумусовых веществ основана на различии в
растворимости в кислотах и щелочах. Согласно этой классификации гумусовые
вещества подразделяют на три составляющие:
гумин – неизвлекаемый остаток, нерастворимый ни в щелочах, ни в кислотах, ни
в воде;
гуминовые кислоты (ГК) – это нерастворимые в воде, минеральных и
органических кислотах темноокрашенные высокомолекулярные азотсодержащие
вещества. Они хорошо растворяются в щелочах с образованием коллоидных
растворов темно-вишневой или коричнево-черной окраски;
фульвокислоты (ФК) – это группа гумусовых веществ, остающаяся в растворе
после
осаждения
гуминовых
кислот.
Это
также
высокомолекулярные
органические азотсодержащие кислоты, в которых в отличие от гумусовых кислот
содержится меньше углерода, но больше кислорода и водорода. Имеют светлую
окраску (желтую, оранжевую), хорошо растворимы в воде.
В качестве обобщающего названия, обозначающего как гуминовые, так и
фульвокислоты, применяют термин "гумусовые кислоты". Гумусовые кислоты
являются наиболее подвижной и реакционноспособной компонентой гумусовых
веществ, активно участвующей в химических процессах, протекающих в
экосистемах.

24. 3. Гумификация.

Гуминовые кислоты. При взаимодействии с катионами металлов
гуминовые кислоты образуют соли – гуматы. Гуматы одновалентных
металлов хорошо растворимы в воде и вымываются из почвы, а гуматы
двух- и трехвалентных металлов в воде не растворяются и хорошо
закрепляются в почвах.
Средняя молекулярная масса гуминовых кислот равна 1400. Они содержат
С – 52 – 62 %, Н – 2,8 – 6,6 %, О – 31 – 40 %, N – 2 – 6 % (по массе).
Основные компоненты молекулы ГК – ядро, боковые цепи и
периферические функциональные группы. Ядро гуминовых веществ состоит
из ряда ароматических циклических колец. Боковыми цепями могут быть
углеводные, аминокислотные и другие цепочки. Функциональные группы
представлены
несколькими
карбоксильными
(–СООН)
и
фенолгидроксильными группами, которые играют важную роль в
почвообразовании, так как обусловливают процессы взаимодействия
гуминовых кислот с минеральной частью почвы.
ГК составляют наиболее ценную часть гумуса, они увеличивают
поглотительную способность почвы, способствуют накоплению элементов
почвенного плодородия и образованию водопрочной структуры.

25. 3. Гумификация.

Фульвокислоты. Соли (фульваты) также растворимы в воде и
слабо закрепляются в почве.
ФК обладают сильнокислой реакцией, энергично разрушают
минеральную часть почвы, вызывая развитие почвенного
подзолистого процесса.
ФК более светлые по окраске, чем гуминовые кислоты, в них
содержится меньшее количество углерода, хорошо растворяются
в воде. С катионами натрия, магния, калия и т.д. образуют соли,
хорошо растворяющиеся в воде. Ионами кальция и бария в
сильнощелочной среде (pH > 10) часть ФК может осаждаться. С
трёхвалентными катионами ФК, в зависимости от условий, при
которых протекает реакция, могут или выпадать в осадок, или
образовывать
водорастворимые
комплексные
соединения.
Кононова (1960) указывает, что ФК можно рассматривать как
начальные формы ГК или продукты их разложения.

26. 3. Гумификация.

Гумин – это часть гумусовых веществ, которые не
растворяются ни в одном растворителе, представлены
комплексом органических веществ (гуминовые кислоты,
фульвокислоты и их органо-минеральные производные,
например, целлюлоза, хитин, лигнин, углистые частицы и
др.), прочно связанных с минеральной частью почвы. Это
инертная часть почвенного гумуса.

27. 3. Гумификация.

Соотношение между гуминовыми кислотами и фульвокислотами в
разных почвах неодинаково. В зависимости от этого показателя
(СГК:СФК) различают следующие типы гумуса (по Орлову Д.С., 1978):
гуматный (> 2),
гуматно-фульватный (0,5-1),
фульватно-гуматный (1 – 2),
фульватный (< 0,5).
Качество гумуса, плодородие почвы зависят от преобладания той или
иной группы. К северу и к югу от черноземов содержание гуминовых
кислот в почвах уменьшается. Относительно высокое содержание ФК
наблюдается в гумусе подзолистых почв и красноземов. При условиях
благоприятствующих накоплению гумуса в почвах, формируется
устойчивая и наиболее агрономически ценная его часть – ГК.
Соотношение СГК:СФК имеет наибольшее значение (1,5 – 2,5) в гумусе
черноземов, снижаясь к северу и к югу от зоны этих почв.
При
интенсивном использовании пахотных земель без достаточного
внесения органических удобрений наблюдается снижение как общего
содержания гумуса (дегумификация), так и ГК.

28. 4. Образование органо-минеральных соединений.

Органические вещества активно взаимодействуют с минеральной частью
почвы. По характеру взаимодействия можно выделить три группы
органоминеральных соединений.
Первую группу составляют соли органических неспецифических
кислот (щавелевая, муравьиная, лимонная, уксусная и др.) и
гумусовых специфических кислот с катионами щелочных и
щелочно-земельных металлов. Механизм образования гуматов
заключается в обменной реакции
между водородом
кислых
функциональных групп гумусовых кислот, способных к обменным
реакциям в условиях данной реакции почв, и катионами. В
образовании гуматов принимают участие зольные элементы растений,
освобождающиеся при разложении, простые соли, находящиеся в
почвенном растворе, обменные катионы диффузного слоя почвенных
коллоидов и основания, входящие в состав кристаллических решеток
первичных и вторичных минералов и способные к обмену.

29. 1. Органоминеральные соединения.

• Вторую группу образуют комплексные соли, которые синтезируются
при
взаимодействии
неспецифических
органических кислот и гумусовых кислот с поливалентными
металлами (железом, алюминием, медью, цинком,
никелем).
ГК
склонны
образовывать
комплексные
соединения
со
всеми
переходными
металлами,
находящимися в почве в виде микроэлементов или
поступающими с антропогенными выбросами. По способности
образовывать соединения с гуминовыми веществами катионы
располагаются в ряд:
Fe3+ > Al3+>>Fe2+ > Cu2+ > Zn2+ > Co2+ > Pb2+ > Ca2+ > Mn2+

30. 4. Образование органо-минеральных соединений.

• Третью группу составляют сорбционные комплексы. Под
сорбционными
комплексами
понимают
продукты
взаимодействия гуминовых кислот с кристаллическими и
аморфными минералами почв или органоминеральные
продукты поглощения гумусовых веществ минералами. Их
называют
также
глиногумусными
комплексами
или
минерало-органическими соединениями. Образование таких
комплексов возможно как за счет межмолекулярных связей
(физическая
адсорбция),
так
и
ионных
или
координационных связей (хемосорбция).

31. 5. Иммобилизация органо-минеральных соединений.

Иммобилизация
органического
вещества
и
органоминеральных соединений – это процессы, действующие на
различных биогеохимических барьерах и приводящие к осаждению
этих веществ из почвенных растворов, сорбции минеральной части
почвы и их закреплению. Факторы, вызывающие осаждение:
• Надмерзлотное осаждение (тундры, северная тайга)
• Коагуляция от действия криогенных процессов (обезвоживание)
• Насыщенность основаниями (катионами) почвенного раствора
• Насыщенность полуторных окислов железа и алюминия почвенного
раствора. Способностью осаждать органо-минеральные коллоиды
обладают ионы не только Са, но и полуторных окислов, однако у
последних она значительно ниже, в силу того, что они обладают меньшей
растворимостью, а часть их, как правило, расходуется на связи в
минералах.
• Изменение окислительно-восстановительных условий в пределах
почвенного профиля (растворимы в воде органо-минеральные комплексы
двухвалентного железа)

32. 6. Значение гумуса почвы.

Накопление гумуса является результатом почвообразовательного
процесса, одновременно сами гумусовые вещества оказывают большое
влияние на дальнейшее направление процесса почвообразования и
свойства почвы. Функции гумуса в почве очень разнообразны:
формирование специфического почвенного профиля (с горизонтом
А), образование структуры почв, улучшение водно-физических
свойств
почвы,
увеличение
поглотительной
способности
и
буферности почв;
источник минеральных элементов питания для растений (N, P, K, Ca,
Mg,
S,
микроэлементы),
источник
органического
питания
гетеротрофных почвенных организмов, источник СО2 в приземном
слое атмосферы и биологически активных соединений в почве, что
непосредственно
стимулирует
рост
и
развитие
растений,
мобилизирует элементы питания, влияет на биологическую
активность почвы;
выполняет санитарно-защитные функции – ускоряет разрушение
пестицидов,
закрепляет
загрязняющие
вещества,
снижая
поступление их в растения.

33. 7. Гумусное состояние почв.

Гумусное состояние почв – совокупность морфологических
признаков, общих запасов, свойств органического вещества и
процессов его создания, трансформации, миграции в
почвенном профиле.
По содержанию гумуса почвы условно делятся на (%)
- безгумусные
- очень низкогумусные
- низкогумусные
- среднегумусные
- высогумусные
- очень высогумусные (тучные)
- перегнойные
- торфяные
менее 1
1-2
2-4
4-6
6-10
10-15
15-30
30